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Nanostructures quantiques et matière topologique

Équipe de recherche au LNCMI Toulouse
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Les nanosciences et la nanophysique sont des domaines de recherche fascinants, à la frontière entre physique fondamentale et science des matériaux. L’exploration des propriétés physiques, optiques et électroniques de divers nano-objets et nanostructures constitués de nouveaux matériaux est une étape fondamentale essentielle avant leur intégration dans les dispositifs électroniques miniaturisés de demain.

L’application d’un champ magnétique intense combinée à l’utilisation de très basses températures constitue un environnement expérimental extrême favorable à la découverte des propriétés électroniques fondamentales des nanostructures. En agissant sur la charge et le spin des électrons responsables de la circulation du courant électrique dans les nanostructures, le champ magnétique permet de révéler certaines de leurs propriétés électroniques, par l’observation de l’effet Hall ou d’oscillations quantiques, par exemple. Un champ magnétique intense peut également induire de nouveaux états quantiques de la matière, comme l’effet Hall quantique, dans les nanostructures que nous étudions.

A l’interface entre la physique de la matière condensée, la physique des semi-conducteurs et la physique quantique, notre groupe de recherche s’est spécialisé dans les mesures de transport électronique dans des nanostructures sous très fort champ magnétique. Nous exploitons les champs magnétiques pulsés générés sur le site toulousain du laboratoire, et recherchons donc particulièrement des effets qui apparaissent dans la gamme 40-70T.

La fabrication, la manipulation, la connexion électrique ainsi que la caractérisation de nanostructures sous champ magnétique pulsé sont les défis expérimentaux que notre équipe relève au quotidien. Parmi les systèmes que nous étudions, on compte, entre autres, les nanotubes de carbone, le graphène et les nano-rubans de graphène, le graphite aminci, les gaz électroniques bidimensionnels à l’interface entre oxydes complexes, les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition, ainsi que diverses nanostructures semi-conductrices et semi-métalliques.

Dans le cadre de nos activités, nous accueillons des chercheurs du monde entier qui travaillent sur ce sujet de recherche qui viennent réaliser des expériences en s’appuyant sur nos équipements et notre savoir-faire expérimental.

Nous sommes ouverts tout au long de l’année aux étudiants et aux post-docs désireux de rejoindre notre groupe de recherche. Veuillez nous contacter.

Expériences sur l’effet Hall planaire dans PtBi2 avec Dr. Qu Jiang et Ankit Kumar

En mai 2025, nous avons accueilli Qu Jiang et Ankit Kumar, respectivement post-doctorant et...
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Expériences sur le graphite à 70T avec Dr. Bruno Camargo

En février 2025, nous avons reçu Bruno Camargo, chercheur à l'Institut de physique expérimentale...
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Thématiques de recherche

2D materials

Composés étudiés :

  • Graphène et graphène fonctionnalisé (collab. O. Makarovskiy, Université de Nottingham, UK)

  • Monocouches et flakes fins de dichalcogéniures de métaux de transition

  • Interfaces d’oxydes complexes (collab. Ariando, NUS Singapore)

 

Matière topologique

La topologie, en matière condensée, est une nouvelle caractéristique intrinsèque d’un système matériel, qui influence grandement ses propriétés physiques. La principale caractéristique des systèmes topologiques non triviaux est l’existence d’états d’interface métalliques à leur interface avec des systèmes d’une autre classe topologique (typiquement, des systèmes triviaux). Selon la dimensionnalité du système, il peut y avoir des états de surface 2D (isolants topologiques 3D, semi-métaux de Weyl) ou des états de bord 1D (effet Hall quantique, effet Spin Hall quantique, effet Hall anomal quantique). Nous étudions les propriétés intrinsèques des systèmes topologiques en utilisant le transport quantique dans des champs magnétiques très élevés (jusqu’à 70T) et à des températures cryogéniques (jusqu’à 1,5K).

Composés étudiés :

  • Isolants topologiques 3D : BiSb, BiSbTe (collab. C. Durand & S. Plissard, LAAS)
  • Isolants topologiques magnétiques 3D : MnBi2Te4, EuSn2As2 (collab. J. Dufouleur & R. Giraud, IFW-Dresden & SPINTECH)
  • Semi-métaux de Weyl lignes nodales : PtBi2 (collab. J. Dufouleur, IFW-Dresden)
  • Isolants topologiques 2D : puits quantiques de InAs/GaSb (collab. B. Jouault, L2C)
  • Topologie non-hermitienne dans le graphène (collab. J. Dufouleur, IFW-Dresden)

 

Nanostructures supraconductrices

La supraconductivité est un état de la matière caractérisé par un état quantique macroscopiquement cohérent qui permet à l’électricité de circuler sans dissipation. Elle apparaît dans les matériaux 3D massifs, mais aussi dans les matériaux 2D (graphène, TMD, …) ou aux interfaces métalliques dans les oxydes complexes (LAO/STO) et dans les nanofils 1D. L’état supraconducteur peut également être fortement influencé par la nanostructuration du matériau, notamment en termes d’ancrage de vortex qui définissent son courant critique dans un champ magnétique. Nous étudions les propriétés des supraconducteurs de dimensionnalité réduite : hétérostructures exfoliées, nanostructures, films minces, etc. en utilisant des mesures de transport électrique (nA à A, nV à V) dans des champs magnétiques très élevés (jusqu’à 70T, dépendance angulaire, accordable par grille électrostatique) et à des températures cryogéniques (3He pompé, jusqu’à 0,5 K).

Composés étudiés :

  • Semi-métaux de Weyl : PtBi2 (collab. J. Dufouleur, IFW-Dresden)
  • Films ultra-minces de nickelates (collab. Ariando, NUS Singapore)
  • Rubans supraconducteurs de REBCO avec centres d’épinglage artificiels
  • Interfaces d’oxydes complexes

 

Techniques expérimentales

Magnéto-transport sous champ magnétique pulsé

Notre équipe est experte dans l’étude du transport électronique dans les nanostructures sous champ magnétique pulsé. Notre expérience de plus de deux décennies nous permet de manipuler des nanodispositifs fragiles et sensibles aux décharges électrostatiques malgré l’environnement extrême requis pour la production des champs magnétiques pulsés, où 24kV sont soudainement appliqués à une bobine dans laquelle circulent plusieurs dizaines de milliers d’ampères. Nos inserts de mesure sont conçus pour les conditions expérimentales suivantes :

  • Bobine 60T. Plage de température : 1,5K – 300K. Rotation in situ. L’échantillon peut être tourné de plus de 90° par rapport à la direction du champ magnétique, ce qui permet, pour un gaz bidimensionnel d’électrons, de passer d’un champ perpendiculaire à un champ dans le plan ou, pour un conducteur quasi-1D, de passer d’un champ perpendiculaire à un champ dans l’axe.
  • Bobine 60T. Plage de température : 350mK – 300K. Pas de rotation.
  • Bobine 70T. Plage de température : 1,5K – 300K. Pas de rotation.

Nanofabrication

Notre équipe a accès aux équipements nécessaires pour la fabrication de nanostructures. Très souvent, il s’agit de fabriquer des électrodes sur des nanomatériaux pour les étudier par des expériences de transport électronique.

Nous avons également cofondé la plateforme exfolab, hébergée au LPCNO, qui permet de réaliser des hétérostructures de van der Waals en empilant des monocouches ou des flakes fins de matériaux de van der Waals.

Publications

Liste des publications de l'équipe

2024

  • Non-Hermitian topology in a multi-terminal quantum Hall device
    Kyrylo Ochkan, Raghav Chaturvedi, Viktor Könye, Louis Veyrat, Romain Giraud, Dominique Mailly, Antonella Cavanna, Ulf Gennser, Ewelina M Hankiewicz, Bernd Büchner, Jeroen van den Brink, Joseph Dufouleur et Ion Cosma Fulga
    Nature Physics volume 20, pages 395–401 (2024)
  • Dissipationless transport signature of topological nodal lines (arXiv)
    Arthur Veyrat, Klaus Koepernik, Louis Veyrat, Grigory Shipunov, Saicharan Aswartham, Jiang Qu, Ankit Kumar, Michele Ceccardi, Federico Caglieris, Nicolás Pérez Rodríguez, Romain Giraud, Bernd Büchner, Jeroen van den Brink, Carmine Ortix et Joseph Dufouleur
    arXiv:2410.02353 (2024), à paraître dans Nature Communication
  • Non-Hermitian topology in the quantum Hall effect of graphene (arXiv)
    Burak Özer, Kyrylo Ochkan, Raghav Chaturvedi, Evgenii Maltsev, Viktor Könye, Romain Giraud, Arthur Veyrat, Ewelina M Hankiewicz, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Bernd Büchner, Jeroen van den Brink, Ion Cosma Fulga, Joseph Dufouleur et Louis Veyrat
    arXiv:2410.14329 (2024)

2023

2022

2021

2020

2019

2018

2017

2016

2015

  • Band Bending Inversion in Bi2Se3 Nanostructures (arXiv)
    Louis Veyrat, Fabrice Iacovella, Joseph Dufouleur, Christian Nowka, Hannes Funke, Ming Yang, Walter Escoffier, Michel Goiran, Barbara Eichler, Oliver G. Schmidt, Bernd Büchner, Silke Hampel et Romain Giraud
    Nano Letters 15, 7503–7507

2014

2013

2011

2010

2009

2008

2007

2006

2005

2003

    Anciens membres de l’équipe

    Doctorants
    • Haoliang Shen
      Thèse en cotutelle avec l’université de Nanjing, Chine, 2015
    Post-doctorants
    • Rubi Km
      Chercheuse au National High Magnetic Field Laboratory, Los Alamos National Laboratory, USA
    • Bruno Camargo
      Chercheur à l’Institut de physique expérimentale de l’université de Varsovie, Pologne
    • Amit Kumar